工位制节拍化生产企业的精益物流MES设计*

2020-09-03邵建峰倪卫红钱伟民

物流工程与管理 2020年8期

□ 彭喜，邵建峰，倪卫红，钱伟民，赵顺

(1.南京工业大学经济与管理学院，江苏南京 211816；2.湖州新开元碎石有限公司，浙江湖州 313000)

离散型的制造企业在推动国民经济增长方面具有举足轻重的作用。工位制节拍化生产作为一种先进的精益生产模式，广泛运用于小批量、多品种、作业循环时间和制造周期较长的离散制造业中[1]。因此，关注采用工位制节拍化生产模式企业的发展对推动经济发展和“中国智造”具有重大意义。

随着市场环境日益复杂和个性化需求的增加，对工位制节拍化生产企业的精准能力、及时能力和柔性化作业能力提出了更高要求。物流作为企业的第三利润源，也就变得更为重要了[2]。提高精益物流水平重要的途径就是要走信息化的道路，利用条码和RFID等技术实现工位制节拍化生产企业制造执行系统的构建，使物流环节可视化、柔性化[3]。然而，无论是工位制节拍化生产企业技术部门还是系统开发企业在制造执行系统的开发时或多或少存在设计周期长、设计功能冗余、可追溯性差等问题。公理化理论提供了一种对复杂系统、软件、产品等设计的普遍性技巧，简化了设计流程，使得设计更具有创新性。

1 研究现状

目前在多数工位制节拍化生产企业中，精益物流的实施过渡依赖于管理人员的主观经验判断，员工精益意识淡薄，操作规范性较差。对于工位制节拍化模式的研究大致分为以下四类：其一，对工位制节拍化的节拍设计、工位设计等精益生产模式的介绍与应用[4-5]。其二，对于工位制节拍化生产中具体工位器具的研究，体现在工位器具的标准化、通用化、系列化和平台化等[6]。其三，对工位制节拍化生产企业信息系统方面的研究。其四，对于工位制节拍化模式下成本管理的研究[7]。

学者们对于工位制节拍化生产企业的精益生产研究，主要集中在工位设计、节拍设计、工具标准化和生产成本管理等方面，属于比较传统的研究。对于工位制节拍化企业内部信息化的研究多为单一系统的考虑，缺乏对生产过程管控集成系统的考虑，缺乏对精益物流系统构建的针对性研究，尤其是精益物流MES系统设计方面。因此，通过公理化设计降低MES系统设计难度，缩短设计周期，提高设计合理性对工位制节拍化生产企业精益物流实现具有重要意义。

2 相关理论

2.1 工位制节拍化生产

工位制节拍化生产作为一种新型的精益生产模式，是以工位为最小作业单元，在统一节拍的指导下，以流水式作业实现均衡化生产。目前被广泛运用在汽车行业、船舶工业、轨道交通行业等。工位制节拍化生产具有主导性、均衡性、连续性和单向性等特点。它主要包含“八大步骤、七大支撑”。其中，“八大步骤”为节拍设计、工位设计、生产线布局设计、物流系统设计、生产组织策划、生产现场准备、拉动式生产、评价和持续改善。“七大支撑”为安全管理、品质管理、生产管理、保全管理、环境管理、人事管理和成本管理。

工位制节拍化生产通过标准化作业，工位管理、严格化生产、准时化物流和拉动生产，使得生产过程目视化，生产过程可控，能快速发现问题，处理异常情况；大幅度降低浪费，提升作业效率；标准化的作业方式，增强了企业生产的柔性，有利于对客户需求做出快速反应。

2.2 精益物流及MES系统

精益物流是利用精益生产思想对企业物流活动进行管理[8]。目标是尽量提高顾客满意度的同时，最大程度的减少浪费[9]。主要表现为快速客户响应能力、适当适时作业能力、低成本化和高度信息化集成。信息化是实现精益物流的重要支撑。近年来，制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)因为能够有效实现企业内部生产现场控制与管理层之间的信息交互，已经成为国内大多数离散型企业追求管理革新、生产过程目视化和信息化建设的必然选择[10]。

精益物流MES系统是基于制造企业物流业务精益管理的基础上，利用条码、RFID、网络通信、信息系统应用等信息化技术及先进的管理办法，实现入库、出库、盘库、齐套管理的信息自动抓取、自动识别、自动预警及智能管理，以降低仓储成本、提高仓储效率、提升仓储智能管理能力的信息化管理系统。精益物流MES系统的存在能够更好的实现工位实物流与信息流双流同步。

2.3 公理设计方法

公理化设计理论是美国麻省理工学院Suh[11]教授提出的一种基于逻辑和理性思维过程的设计决策理论，

公理化设计过程涉及横纵两个方面，横向的设计就是从用户域到工艺域的映射过程(如图1)，纵向的设计就是各个域内从CRs到PVs的逐级分解过程。公理化设计中包含四个概念：域、“Z”形映射、层次结构和设计公理[12-13]。

图1 公理化设计域的分类

设计人员将实际需求转化为公理设计的功能需求，并为每一项功能需求找到合理的设计参数，而在参数的寻找设定过程中就需要遵循独立公理和信息化公理。独立性公理要求保持功能要求应有的独立性。信息公理要求尽量使设计的信息量最少，以便获得最优设计。信息含量的定义如下：

Ii=log2(1/Pi)

(1)

式中，Pi为设计参数DPi满足功能需求FRi的概率。对于有m个功能需求的系统，信息总量的计算如下：

I=log2(1/P{m})

(2)

其中，P{m}是满足m个功能要求的联合概率。

当设计矩阵为对角阵，属于非耦合设计时，所有功能要求是相互独立的，则联合概率为：

(3)

此时系统信息总量可以计算为：

(4)

当设计矩阵为上(下)三角阵，属于准耦合设计时，所有功能要求不相互独立，其概率表示为：

(5)

式中，j=1,2,…,i-1，Pi|{j}|是条件概率，也就是同时满足功能要求FRi和所有与FRi有关的功能需求{FRj}j=1,…,i-1的概率。

3 Z企业精益物流MES系统公理化设计

Z企业成立于2014年，注册资本600万元，是某轨道交通企业的全资子公司，主要经营范围包括：工业自动控制系统研发、生产、销售；第三方物流服务；物流代理服务；装卸搬运；包装服务；仓储服务；配送与物流仓储工程设计服务；城市轨道交通配套辅助设施项目的总承包；计算机软硬件及外围设备、通信设备、自动化装备、停车设备的研发、生产、销售、技术咨询、技术服务；数据处理与存储服务；网络设备安装与维护；网络安全类产品开发与经营；企业管理咨询服务；经济信息咨询；金属包装容器、木制品的制造、销售；办公用品的销售；房屋租赁；设备租赁等。

3.1 Z企业精益物流存在的问题

①生产方式不合理。Z企业生产车间的生产方式是推动式生产，各个部门按照生产四日计划进行生产活动。以四日计划所演变的物料需求计划来供应总装车间生产，前道工序在计划时间内完成所需物料的卸车、上架、备料、配送等流程。这种生产方式对供应商来料及时性依赖性很高，当遇到来料不及时或者紧急计划变更的时候，极易造成生产停滞甚至大规模生产混乱的情况。

②工作环境有待改善。生产现场上架包装清理不及时、生产现场物料存放杂乱、台位料和非台位料区分不合理、拣货方式不合理和工装小车使用摆放混乱等。

③物料的存储和配送不合理。通用件与非通用件区分整合不合理，供应商为了节约成本很多时候将后续项目的物料提前送达，造成现场物料堆积，仓储成本上升。

3.2 Z企业精益物流MES系统设计实现

针对Z企业精益物流的问题，提出构建精益物流MES系统的设想，主要表现为“一个目标+两大支柱+五项原则”，即实现提高物流效率、降低物流成本、提升企业效益的目标；以准时化和自动化为支柱；坚持价值、价值流、流动、拉动、持续改善的原则。

以精益思想为指导构建工位制节拍化生产企业精益物流管理体系，主要涉及仓储和配送的精益化，如图2。

3.3 独立公理的运用

3.3.1 公理化设计总目标的分解

针对Z企业的问题公理化分析如下：

①用户需求。构建Z企业MES系统的目的是为了实现Z企业精益物流生产，以实现物流成本下降、物流效率提升，效益提升。因此，公理化设计的用户需求则为实现Z企业精益物流生产。

②所需要采取的策略。为了实现Z企业精益物流生产，应该构建MES系统。因此，实现这一需求的目标为FR0=实现Z企业精益物流生产，需要采取的策略为DP0=精益物流MES系统设计。

③结合已有的相关研究和Z企业生产实际，选择解决方案。要实现Z企业精益物流生产，建议从以下几个方面考虑，也就是FR0可以分解为FR1=车间仓储管理；FR2=物流配送管理；FR3=物流系统管理；FR4=物流柔性管理。达成上述功能需求应采取的对策为：DP1=库存精益化管理；DP2=配送精益化管理；DP3=系统功能设置；DP4=标准化、均衡化生产。

鉴于FR1和DP1、DP3相关，FR2和DP2、DP3相关，FR3和DP3、DP4相关，FR4和DP4相关。因此，设计矩阵如下：

表1

④功能设计。此类设计为准耦合设计，设计矩阵为上三角阵，其设计方程为：

上述为比较笼统的策略，需要进行进一步的分解。下面具体展开(公理化设计步骤不再赘述)。

3.3.2 第二级分解

①针对Z企业生产现场环境问题和仓储中物料存放混乱等问题，并结合精益物流管理体系。设计如下：

FR1能够分解为：FR11=生产现场管理；FR12=车间物料管理；FR13=质量控制管理。达成上述功能需求应采取的对策为：DP11=细分作业功能区和5S管理；DP12=物料工位制存放和单件流配料；DP13=点检、标准化作业和PDCA循环改进。

功能要求与设计参数之间的关系为：

②针对Z企业物料来料不及时和提前来料的问题，设计如下：

FR2能够分解为：FR21=车间缺料预警；FR22=滚动生产计划；FR23=配送信息管理；FR24=配送设备管理。达成上述功能需求应采取的对策为：DP21=与上游供应商之间的信息共享；DP22=工位节拍计划实施与引导；DP23=顾客需求出发的拉动配送和动态数据统计；DP24=设备信息登记与维护。

功能要求与设计参数之间的关系为：

③MES系统作为Z企业信息化建设的必经之路，在系统构建的时候应考虑基本的系统信息、权限以及具体生产业务的参数设置，设计如下：

FR3能够分解为：FR31=用户信息设置；FR32=系统权限设置；FR33=系统参数设置。达成上述功能需求应采取的对策为：DP31=设置系统的用户等级、增删用户和用户信息更新；DP32=不同层级人员的使用权限设置；DP33=缺件预警点、经济订货量、最大库存量和配送设备运载能力。

功能要求与设计参数之间的关系为：

④针对Z企业面对生产计划变更，生产作业反应能力弱的问题，并考虑到MES系统本身的运行需要，设计如下：

FR4能分解为：FR41=工装设备标准化；FR42=作业能力柔性化；FR43=系统扩展柔性化；FR44=系统运行柔性化。达成上述功能需求应采取的对策为：DP41=设备标准化、单元化和模块化；DP42=工位制节拍化生产的高度标准化；DP43=资源优化配置能力和碎片化的功能模块设计；DP44=作业方式、人员和工具的重新组合。

功能要求与设计参数之间的关系为：

3.3.3 第三级分解

①质量管理贯穿于企业整个生产流程，Z企业在MES系统功能设计时应当设定专门的质量控制模块。设计如下：

FR13能够分解为：FR131=操作标准化；FR132=物料齐套；FR133=物料信息比对。达成上述功能需求应采取的对策为：DP131=作业人员培训；DP132=特色工装设计；DP133=手持端与PC端的物料BOM清单信息比对。

功能要求与设计参数之间的关系为：

②Z企业物流配送过程中存在工位物料信息紊乱，配空载率高和配送任务发布反馈不及时的问题，结合拉动式生产方式的看板工具等，设计如下：

FR23能够分解为：FR231=配送工位管理；FR232=配送效率优化；FR233=配送任务发布；FR234=配送交接管理。达成上述功能需求应采取的对策为：DP231=工位物料的未入库与存量查询；DP232=配送车、配送方式和路径优化；DP233=配送看板管理与手持移动端提示；DP234=交接与返修物料管理。

功能要求与设计参数之间的关系为：

③MES系统构建中应考虑生产功能实现的模块化、应用组件设计及数据库的设计，设计如下：

FR33能够分解为：FR331=模块设计；FR332=组件设计；FR333=数据库选择。达成上述功能需求应采取的对策为：DP331=业务管理模块、数据管理模块和系统集成模块的设计；DP332=系统安全组件、数据处理组件、文件处理组件和其他公共组件的设计；DP333=选择Oracle和SQL Sever数据库。

功能要求与设计参数之间的关系为：

此设计为非耦合设计，设计矩阵为对角矩阵。

3.3.3 第四级分解

配送环节的精益化对于精益物流的实现至关重要，怎么去进行效率的优化是Z企业必须面对的问题，设计如下：

FR232能够分解为：FR2321=取货方式优化；FR2322=配送路径优化；FR2323=提高满载率。达成上述功能需求应采取的对策为：DP2321=循环高频次取货；DP2322=多算法测度与GPS定位管控；DP2323=配载调整与在途运输管控。

功能要求与设计参数之间的关系为：

此设计为非耦合设计，设计矩阵为对角矩阵。在上述独立性公理的分解过程中，设计矩阵为三角阵和对角阵，满足独立性公理，是合理的公理化设计。公理化设计分解结构见图3。